KR102248740B1 - 프로그레시브 기어를 갖춘 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

프로그레시브 기어를 갖춘 액츄에이터
차량의 그릴 셔터 조립체용 액츄에이터는 기어 트레인(30)을 통해 출력에 연결되는 모터(20)를 갖는다. 상기 출력은 그릴 셔터 조립체의 루버들에 연결하기 위한 연결(52)을 갖는다. 상기 기어 트레인은 상기 출력 샤프트(50)의 액츄에이션 각도에 따라 가변적인 기어비를 갖는다. 선택적으로, 모터가 동작하지 않을 때, 출력 샤프트를 초기 액츄에이션 각도로 탄성적으로 복귀시키도록 리턴 스프링(54)이 배열된다.

Description

프로그레시브 기어를 갖춘 액츄에이터 {ACTUATOR WITH PROGRESSIVE GEAR}

본 발명은 액츄에이터(actuator)에 관한 것이고, 특히, 프로그레시브 기어(progressive gear)를 갖는 그릴 셔터 조립체의 액츄에이터에 관한 것이다.

루버 각도의 조절을 위한 그리고 따라서 공기 흐름의 조절을 위한 자동화된 그릴 셔터들은 자동차 엔진 열 관리 시스템들의 더욱더 중요한 구성 요소들이다. 조절은 전기기계적(electromechanical) 액츄에이터들에 의해 편리하게 달성된다. 액츄에이터들은, 래디에이터(radiator)를 냉각시키도록 흐르는 공기용의 개구의 크기를 변화시키도록, 일반적으로 기어 트레인(gear train)을 통해서, 그릴 셔터의 루버들을 회전시킨다.

스테퍼 모터 액츄에이터들의 개루프 동작이 당 기술 분야의 신뢰성 있는 상태이다. 파워 고장의 경우에 또는 셧 다운(shut down)시의 부정확한 루버 포지셔닝(positioning)의 임의의 상황에 있어서, 하지만, 고장 안전 메커니즘(fail safe mechanism)이 그릴 셔터 액츄에이터에 통합되어 있어야 한다. 리턴 스프링이, 예컨대, 루버(louver)들을 초기의 위치(개방 또는 폐쇄, 요구되는 것이 무엇이든)로 데리고 올 수 있다. 그 경우에 있어서, 동작시에, 액츄에이터는, 스프링 힘 더하기 차량이 고속으로 운행할 때의 격렬한 공기 흐름에 기인한 임의의 추가적인 힘들에 영구적으로 대항하여 작용해야한다. 일반적으로, 그것은 극단의 개방 (또는 폐쇄) 위치에서 최대의 토크를 전하기 위해서 과도한 치수의 또는 과도한 파워의 전자기 모터를 요구할 것이다. 그것은 또한 높은 전력 소비를 의미하며, 그것은 유효하게 환경 친화적인 또는 “녹색의” 시스템에 부합하지 않는다.

그러므로, 모터의 출력이 액츄에이터의 요구되는 출력에 더욱 근접하게 매치되는, 차량 그릴 셔터 시스템용 액츄에이터가 소망된다. 본 발명은, 가변적인 토크 요구에 대해 보상하는 프로그레시브 기어에 의해 이러한 문제를 해결한다.

프로그레시브 또는 가변 기어들이 오랜 동안 알려져 왔다. 프로그레시브 기어의 포괄적 기술은, US 2,061,322 또는 US 8,196,487에서 찾을 수 있다. 자동차 응용에 있어서, 프로그레시브 기어들은 스티어링 시스템들에서 빈번하게 나타난다.

따라서, 그 일 양태에 있어서, 본 발명은, 그릴 셔터 조립체용 액츄에이터로서, 모터 샤프트를 갖는 모터; 출력 샤프트 및 그릴 셔터 조립체의 루버들에 연결하기 위한 연결을 포함하는, 출력; 및 상기 모터 샤프트를 상기 출력 샤프트에 연결하는 기어 트레인을 포함하며, 상기 기어 트레인이 상기 출력 샤프트의 액츄에이션 각도에 따라 가변적인 기어비를 갖는, 그릴 셔터 조립체용 액츄에이터를 제공한다.

바람직하게, 상기 기어 트레인은 적어도 하나의 프로그레시브 기어를 포함한다.

바람직하게, 상기 프로그레시브 기어는, 제1 나선 기어 휠(spiral gear wheel) 및 상기 제1 나선 기어 휠과 맞물린 제2 나선 기어 휠을 포함한다.

바람직하게, 상기 제2 나선 기어 휠은 출력 샤프트에 고정된다.

바람직하게, 상기 제1 나선 기어 휠은 적어도 하나의 스퍼 기어(spur gear)에 의해 상기 모터 샤프트에 연결된다.

바람직하게, 상기 제1 및 제2 나선 기어 휠은 대수 피치 경로(logarithmic pitch path)들을 갖는다.

바람직하게, 상기 모터가 동작하지 않을 때, 상기 출력 샤프트를 초기의 액츄에이션 각도로 탄성적으로 복귀시키도록 리턴 스프링이 배열되어 있다.

바람직하게, 상기 리턴 스프링은, 상기 출력 샤프트의 둘레에 배치되고, 상기 제2 나선 기어 휠에 고정된 일단부와 상기 출력 샤프트를 지지하는 부분에 고정된 제2 단부를 가진 코일 스프링이다.

바람직하게, 상기 모터는 스테퍼 모터(stepper motor)이고, 제어 신호들에 응답하여 상기 모터를 제어하기 위한 제어 회로를 갖는 PCB에 연결된다.

바람직하게, 상기 출력은 2개의 출력 샤프트를 포함한다.

다른 양태에 있어서, 본 발명은, 차량용 그릴 셔터 조립체로서, 프레임; 상기 프레임에 피벗 가능하게(pivotably) 연결되는 적어도 한 세트(set)의 루버들 및 앞선 청구항들 중 어느 하나에 따른 액츄에이터를 포함하며, 상기 액츄에이터는 상기 프레임에 관하여 상기 루버들의 배향을 피벗 가능하게 조정하도록 배열되는, 차량용 그릴 셔터 조립체를 제공한다.

바람직하게, 상기의 또는 각각의 출력 샤프트는 그 자신의 단부에 별 모양의 소켓(socket)을 갖고, 상기 루버들은 상기 별 모양의 소켓내에 수용된 단부를 갖는 액츄에이션 샤프트에 의해 피벗 가능하게 조정된다.

본 발명은, 부하, 즉 그릴 셔터의 동작 요구를 더욱 근접하게 따르는 출력을 갖는 그릴 셔터용 액츄에이터의 구성을 가능케 하고, 따라서 이러한 응용에 대해 더 작고, 더욱 유효한 액츄에이터를 가능케 한다. 본 발명의 특정 실시예들은, 개루프 동작에서 사용될 수 있는 고장 안전 액츄에이터의 구성을 가능케 한다. 이것은, 종래 기술의 액츄에이터들에서 필요했었던, 그릴 셔터 루버들의 실제 위치를 검출하기 위한 센서 시스템에 대한 필요를 제거하여, 복잡성 및 비용을 감소시킨다.

본 발명의 바람직한 실시예가 이제, 첨부 도면들을 참조하여, 예시로서만, 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 하나 보다 많은 도면에서 나타나는 동일한 구조, 구성 요소 및 부품들은 그것들이 나타나는 모든 도면들에서 동일한 참조 번호가 일반적으로 붙여진다. 도면들에 도시된 구성 요소들 및 피쳐(feature)들의 치수들은 일반적으로 편의 및 표현의 명료성을 위해 일반적으로 선택되었고 반드시 일정한 축척으로 도시된 것은 아니다. 도면들은 아래에 목록화된다.
도 1 및 2는 그릴 셔터 액츄에이터가 전하도록 요구되는 전형적인 토크 대 각도 곡선들이며, 액츄에이션 각도에 관하여, 도 1은 선형적 증가를 나타내고 도 2는 급격한 증가를 나타낸다.
도 3은 커버가 제거된 바람직한 실시예에 따른 조립된 액츄에이터의 뷰(view)이다.
도 4는 바람직한 실시예의 액츄에이터의 기어 트레인 배열을 예시한다,
도 5는 루버들이 폐쇄 배향된, 도 3의 액츄에이터를 통합하는 자동차용 그릴 셔터 조립체를 예시한다.
도 6은 루버들이 완전 개방 배향된, 도 5의 그릴 셔터 조립체를 예시한다.
도 7은 2세트의 루버들을 갖는 자동차용 그릴 셔터 조립체의 부분적으로 개방된 뷰이다.

도 1 및 2는 고장 안전 동작용의 통합된 리턴 스프링이 있는 요구되는 그릴 셔터 액츄에이터 출력 토크의 예시들을 나타낸다. 도 1은 액츄에이터의 출력 또는 루버들의 위치(액츄에이션 각도)와 요구되는 토크간에 선형 관계를 갖는 시스템용 토크 대 위치 곡선을 나타낸다. 도 2는 급격한 관계를 갖는 시스템용의 유사한 그래프를 나타낸다. 가장 일정한 기계 마찰 오프셋에 더하여, 액츄에이터는 리턴 스프링에 기인하여 증가하는 액츄에이션 각도와 더불어 증가하는 토크를 극복해야 한다. 루버들 상의 기압에 의해 액츄에이터에 가해지는 힘이 또한 액츄에이션 각도와 더불어 변화한다.

도 3은 내부를 나타내도록 커버가 제거된, 조립된 형태로의, 바람직한 액츄에이터를 예시한다. 액츄에이터(10)는, 스테퍼 모터(20), 출력(18) 및 모터를 출력에 연결하는 기어 트레인(30)을 수용하는, 리드(lid)(도시되지 않음)를 가진 케이싱(casing)(12)을 갖는다. 전기 소켓(14)은 모터를 구동하기 위한 전력 및 신호선들용의 연결을 제공한다. PCB(인쇄 회로 기판)(16)가 또한, 신호선을 통한 커맨드(command)들에 기초하여 모터를 제어하기 위한 전자기기를 위해 제공된다. PCB는 엔진 관리 컴퓨터와 통신하기 위한 LIN-버스 전자 기기를 포함할 수 있다.

기어 트레인(30)은 도 4에 보다 분명히 도시되어 있다. 기어 트레인은 모터의 샤프트(22)를 액츄에이터의 출력(18)에 연결한다. 바람직한 실시예의 모터는 스테퍼 모터(20)이고 PCB(16)에 연결된 것으로 도 4에 도시되어 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 액츄에이터의 출력(18)은 루버들의 각도를 변화시키기 위한 그릴 셔터 메커니즘의 액츄에이션 샤프트 또는 스피것(spigot)의 단부를 수용하기 위한 별 모양의 소켓(52)을 갖는 샤프트(50)이다.

기어 트레인(30)은, 모터 샤프트(22)에 고정된 이(cog)(24)와 맞물리는 제1 스퍼 기어(32), 제1 스퍼 기어와 맞물리는 제2 스퍼 기어(34), 제1 프로그레시브 기어(36) 및 제2 프로그레시브 기어(38)를 포함한다. 제1 프로그레시브 기어는 제1 나선 기어 휠(42)과 레귤러 스퍼 휠(regular spur wheel)(40)의 조합이다. 스퍼 휠(40)은 제2 스퍼 기어(34)와 맞물리고 제1 나선 기어 휠(42)은 제2 프로그레시브 기어(38)와 맞물린다. 제2 프로그레시브 기어는, 액츄에이터의 출력 샤프트에 고정되는 제2 나선 기어 휠(44)을 포함한다. 제2 나선 기어 휠(44)은 제1 나선 기어 휠(42)과 맞물린다.

리턴 스프링(54)은, 모터가 턴오프될 때, 기어 트레인을 통해 모터를 역-구동시켜, 홈(home) 위치 또는 초기 액츄에이션 각도로 출력 샤프트를 복귀시키도록, 바람직하게 제2 나선 기어 휠(44)을 통해, 출력 샤프트(50)에 부착된다. 리턴 스프링(54)은, 출력 샤프트(50) 둘레에 배치되고, 제2 나선 기어 휠(44)에 의해 샤프트에 고정되는 일단부와 케이싱(12)에 고정된 타단부가 있는 나선 또는 코일 스프링으로서 도시되어 있다. 따라서, 사용시에, 출력 샤프트가 홈 위치로부터 이동됨에 따라, 스프링이 감겨져 출력 샤프트를 홈 위치로 복귀시키도록 강제하는 탄성 복원력을 생성한다. 모터(20)는 이러한 복원력에 대항하여 출력 샤프트를 구동하기 위해 요구된다. 모터는, 차량이 고속도로 운행과 같이 고속으로 이동함에 따라 특히 기압에 의해 루버들에 가해지는 힘과 같은 외부력에 대항하여 요구되는 액츄에이션 각도로 출력 샤프트를 구동 또는 유지하기 위해 또한 요구된다.

프로그레시브 기어비는 2개의 나선 기어 휠들의 상호 작용에 의해 형성된다. 바람직하게, 나선 기어 휠들(42, 44)은 대수 기어들이고, 그것은 나선 기어 휠들의 피치 라인(pitch line)이 대수 나선 경로를 따르는 것을 의미한다. 프로그레시브 기어비는 상이한 액츄에이션 각도들에서 액츄에이터의 최대 출력 토크를 변화시킨다. 이것은, 높은 토크 요구 영역에서 더 높은 기어비를 통해 요구되는 최대 토크 출력을 여전히 제공하면서, 더 낮은 토크가 요구되는 영역들에서 그 영역에서의 더 낮은 기어비에 기인하여 빠른 응답 시간을 제공하면서, 모터가 물리적으로 더 작아지게 할 수 있다. 따라서, 액츄에이터의 출력 토크는 부하 요구와 보다 근접하게 매치되며, 모터는 특정 액츄에이션 각도에서의 토크 요구를 딱 만족시키도록 대부분의 액츄에이션 각도들에 대해 과도하게 파워드(powered)되지 않는다.

프로그레시브 기어는, 각도의 함수로서의 변화하는 반경, 배달 가변 토크 및 가변 접속 속도를 가진 적어도 하나의 휠을 포함할 수 있다. 휠들이 고정된 축들을 갖는 기어 트레인을 구성하기 위해서, 하나의 유리한 구성은 하기의 조건들을 만족하는 2개의 대수적 나선형 휠들을 포함한다:

2개의 휠 축들간의 일정한 거리;

하나의 완전한 사이클 동안의 기어 휠들의 연속적인 접촉;

휠 각도

와 더불어 급격하게 증가하는 반경; 및

입력 및 출력 휠 각도의 비율은 대수적임(토크에 대해서도 또한 참(true)임).

나선 기어 휠 파라미터들의 적절한 치수화는 가변 토크의 보상을 가능케 한다. 프로그레시브 기어의 사용에 의해서, 우리는 모터 크기를 현저하게 감소시키고 (더 낮은 가격 및 무게) 그리고 평균 전력 소비를 줄일 수 있다.

도 5 및 6은 도 3의 액츄에이터(10)를 통합하는 전형적인 그릴 셔터 조립체(60)의 개략적인 예시들이다. 그릴 셔터 조립체는 프레임(62)을 갖고 다수의 루버들(64)은 프레임에 피벗 가능하게 연결된다. 도 5에 있어서, 루버들이 프레임을 통한 공기 흐름을 차단하도록 폐쇄 배향되어 있고, 도 6에 있어서, 루버들이 최대의 공기 흐름을 허용하도록 완전 개방 배향으로 되어 있다. 도 6에서 알 수 있듯이, 루버들이 크로스 바(cross bar)(66)에 의해 연결됨으로써, 루버들의 배향들이 균일하고 루버들이 일치하여 움직인다. 액츄에이터(10)는 루버들의 배향을 제어하도록 액츄에이션 샤프트에 의해 중간의 루버에 연결된다.

도 7은 단일 액츄에이터에 의해 구동되는 2세트의 루버들을 갖는 그릴 셔터 조립체의 부분 개방의 개략적인 예시이다. 개개의 세트의 루버들(64)을 피벗 가능하게 지지하는 2개의 프레임들(62)이 있다. 프레임들은 나란히 배열되고, 액츄에이터는, 프레임들 중 하나에 직접 부착되든지 독립적으로 장착되든지, 프레임들 사이에 배치된다. 액츄에이터(10)는 액츄에이션 샤프트(68)에 의해 각각의 세트의 루버들에 연결된다. 각각의 액츄에이션 샤프트(68)는 출력 샤프트의 각각의 단부에 형성된 소켓(52)에 결합되는 것에 의해 액츄에이터의 출력 샤프트(50)에 연결된다. 바람직하게, 소켓들의 형태들 그리고 액츄에이션 샤프트들의 단부들은 상보적적임으로써, 특히 별 모양임으로써, 결합이 간단한 삽입으로 달성될 수 있다.

사용시에, 루버들은 엔진실로 그리고 특히 엔진 냉각수용의 래디에이터 및 공조 시스템용 컨덴서(condenser)들과 같은 하나 이상의 열교환기들로 이끄는 공기 흐름 경로 내에 배열되어 있다. 루버들은, 요구될 때, 열교환기들로 공기가 흐를 수 있게 하고, 냉각 공기가 요구되지 않을 때, 공기 흐름을 차단할 수 있게 한다. 일반적으로, 냉각 공기에 대한 요구는 고속도로 운행 중에 크게 감소되며, 루버들을 닫는 것에 의해, 에어 인테이크(air intake)들을 폐쇄하는 이러한 모드에 있어서는, 차량의 공기 역학을 향상시켜 연료 소비의 주목할 만한 개선이라는 결과를 가져온다. 차량이 냉각되어 있을 때 에어 인테이크들을 폐쇄하는 것은, 엔진 시동 시간, 통상의 작동 온도에 도달하는데 걸리는 시간을 현저하게 감소시킨다. 이것은 또한, 엔진이 통상의 작동 온도에서 완전하게 그리고 더욱 효율적으로 가동됨에 따라, 차량에 의해 발생되는 오염의 양 및 연료 소비를 감소시킨다.

본 출원의 상세한 설명 및 청구범위에 있어서, "포함한다(comprise, include, contain)" 와 "갖는다(have)"의 각각의 동사들과 그 변형들은 진술된 항목의 존재를 상술하기 위해서 총괄적인 의미로 사용되며, 추가적인 항목들의 존재를 배제하지 않는다.

본 발명이 하나 이상의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 다양한 변형들이 가능하다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위는 하기의 청구 범위를 참조로 하여 정해진다.

예를 들어, 액츄에이터가 하우징을 갖는 것으로 설명되었지만, 모터, 기어 트레인 및 출력 샤프트는 프레임과 같은 그릴 셔터 조립체의 구조적인 부분에 의해 지지되거나 직접적으로 고정될 수 있다.

Claims (13)

1. 차량용 그릴 셔터 조립체(grille shutter assembly)로서,
   적어도 하나의 프레임(62);
   상기 프레임(62)에 피벗 가능하게(pivotably) 연결되는 적어도 한 세트(set)의 루버들(64); 및
   액츄에이터(10)를 구비하고,
   상기 액츄에이터(10)는,
   모터 샤프트(22)를 갖는 모터(20);
   출력 샤프트(50) 및 상기 출력 샤프트(50) 상에 배치되고 그릴 셔터 조립체의 루버(louver)들에 연결하기 위한 연결(52)을 포함하는, 출력; 및
   상기 모터 샤프트를 상기 출력 샤프트에 연결하는 기어 트레인(gear train)(30)을 포함하며,
   상기 액츄에이터(10)의 출력 샤프트(50)는, 상기 프레임(62)에 관하여 각각의 루버들의 경사 각도를 조정하도록 상기 적어도 한 세트의 루버들에 체결되고;
   상기 기어 트레인(30)은 상기 출력 샤프트(50)의 액츄에이션 각도(actuation angle)에 따라 가변적인 기어비를 갖고;
   상기 기어 트레인(30)은, 제1 프로그레시브 기어(progressive gear)(36) 및 제2 프로그레시브 기어(38)를 포함하고, 상기 제1 프로그레시브 기어(36)는 제1 나선 기어 휠(42)과 레귤러 스퍼 휠(regular spur wheel)(40)의 조합이고, 상기 레귤러 스퍼 휠(40)은 적어도 하나의 스퍼 기어(spur gear)에 의해 모터 샤프트(22)에 연결되고;
   상기 제2 프로그레시브 기어(38)는 상기 액츄에이터의 상기 출력 샤프트에 고정된 제2 나선 기어 휠(44)을 포함하고, 상기 제2 나선 기어 휠(44)은, 상기 제1 나선 기어 휠(42)과 맞물리고, 상기 제1 나선 기어 휠(44)의 외주는 치형(teeth)을 구비하고, 상기 제2 나선 기어 휠(44)의 외주는 치형을 구비하고;
   상기 2개의 나선 기어 휠들의 상호 작용에 의한 기어 비가 형성되고, 그에 상응하여 상기 기어 트레인(30)은 상기 적어도 한 세트의 루버들이 완전히 닫히거나 또는 거의 완전히 닫히는 위치에서 최대 기어비를 갖고, 그에 상응하여 상기 기어 트레인(30)은 상기 적어도 한 세트의 루버들이 완전히 개방되거나 거의 완전히 개방된 위치에서 최소 기어비를 갖는 것을 특징으로 하는, 차량용 그릴 셔터 조립체.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 및 제2 나선 기어 휠(42, 44)은 대수 피치 경로(logarithmic pitch path)들을 갖는, 차량용 그릴 셔터 조립체.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 모터(20)가 동작하지 않을 때, 상기 출력 샤프트(50)를 초기의 액츄에이션 각도로 탄성적으로 복귀시키도록 배열된 리턴 스프링(return spring)(54)을 더 포함하는, 차량용 그릴 셔터 조립체.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 리턴 스프링(54)은, 상기 출력 샤프트(50)의 둘레에 배치되고, 제2 나선 기어 휠(44)에 고정된 일단부와 상기 출력 샤프트를 지지하는 부분에 고정된 제2 단부를 가진 코일 스프링인, 차량용 그릴 셔터 조립체.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 모터(20)는 스테퍼 모터(stepper motor)이고, 제어 신호들에 응답하여 상기 모터를 제어하기 위한 제어 회로를 갖는 PCB(16)에 연결되고, 상기 PCB(16)는 상기 모터 샤프트(22) 및 상기 출력 샤프트(50)와 평행한, 차량용 그릴 셔터 조립체.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 출력은 2개의 출력 샤프트(50)를 포함하는, 차량용 그릴 셔터 조립체.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기의 또는 각각의 출력 샤프트(50)는 그 자신의 단부에 둥글지 않은 소켓(non-round socket)(52)을 갖고, 상기 루버들(64)은 상기 소켓(52)내에 수용된 단부를 갖는 대응하는 액츄에이션 샤프트(68)에 의해 피벗 가능하게 조정되는, 차량용 그릴 셔터 조립체.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 소켓(52)은 별 모양인, 차량용 그릴 셔터 조립체.
9. 청구항 7에 있어서,
   2개의 프레임들 및 상기 액츄에이터(10)에 의해 구동되는 두 세트의 루버들을 포함하고, 상기 2개의 프레임들은 나란히 배열되고, 상기 액츄에이터는 상기 2개의 프레임들 사이에 배치되고, 상기 액츄에이터는 액츄에이션 샤프트(68)에 의해 각 세트의 루버들에 연결되는, 차량용 그릴 셔터 조립체.
10. 청구항 9에 있어서,
    각각의 액츄에이션 샤프트(68)는 출력 샤프트(50)의 각각의 단부에 형성된 소켓에 결합되는 것에 의해 액츄에이터(10)의 출력 샤프트(50)에 연결되는, 차량용 그릴 셔터 조립체.
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